廖鈞劉煒許伶俐王沛沛鄭杰吳畏

地鐵停車場和車輛段雜散電流實測與分析

廖鈞1劉煒1許伶俐1王沛沛1鄭杰2吳畏2

（1.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都；2.成都地鐵運營有限公司，610031,成都//第一作者，碩士研究生）

正線鋼軌泄漏的雜散電流所造成的車輛段和停車場內設備燒損和掛地線打火等問題在城市軌道交通中日益凸顯。為此，以某地鐵停車場和車輛段線路的實測數據為依據，評估雜散電流的嚴重程度，分析雜散電流的流通路徑，并針對該地鐵線路雜散電流現狀提出相應的改進措施。

地鐵；停車場；車輛段；雜散電流

First-author's addressSchool of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

城市軌道交通供電系統(tǒng)中，列車通過受電弓（或受電靴）從接觸網（或接觸軌)取流，經鋼軌回流至牽引變電所負極的電流被稱為牽引回流，不按鋼軌路徑流通的電流被定義為雜散電流，直流牽引供電系統(tǒng)與大地間有電流流入或流出的區(qū)域被定義為雜散電流區(qū)［1-2］。

隨著我國地鐵大規(guī)模的投運，地鐵供電系統(tǒng)中諸如雜散電流等問題逐漸涌現。在雜散電流流經區(qū)域，埋設的金屬管道和混凝土主體結構中的鋼筋易遭到腐蝕［3］；在停車場和車輛段內，較大的雜散電流經接地極流入庫內，庫內的設備易出現外殼打火、掛地線打火等問題，甚至危害人身安全［4］。因此，很多學者對雜散電流的分布規(guī)律進行了理論研究［5-7］，但這些理論研究只停留在定性的分析上，尚無明確的數據支撐，雜散電流量化程度尚不清楚。

1 雜散電流引發(fā)故障案例

2015年，某地鐵列車在停車場股道停車時，發(fā)生列車車體上防脫鋼繩熔斷案例。當時，列車停放于入庫信號機位置時，轉向架二位側高度閥桿防脫鋼繩周期性出現冒煙、發(fā)熱燒紅現象。面對此種狀況，工作人員對列車進行降弓、斷開蓄電池主電路大空開關等操作，但防脫鋼繩仍周期性發(fā)熱燒紅，直至熔斷。防脫鋼繩脫落現場照片如圖1所示。

圖1 防脫鋼繩熔斷案例現場

故障發(fā)生后，工作人員對車輛設備及線路進行了檢查，未發(fā)現設備或線路有短路現象，排除了車輛設備短路的可能。檢查軌道回流路徑，發(fā)現車輪踏面與鋼軌之間存在燒灼痕跡，且鋼軌絕緣節(jié)在列車的兩個轉向架之間（如圖2所示）。

經初步分析，造成本次事故的原因可能是部分牽引電流經與單向導通裝置（單導）并聯的車體進行回流，造成車體薄弱環(huán)節(jié)燒毀。然而，事故發(fā)生時，停車場內沒有列車起動，通過車體的回流可能是正線鋼軌泄漏到大地的雜散電流，但是否存在如此大的雜散電流導致列車車體薄弱環(huán)節(jié)損壞，仍需要通過實測來驗證。

圖2 防脫鋼繩熔斷案例列車停車位置

2 停車場雜散電流測試

地鐵軌道正線鋼軌采用對地絕緣安裝，既有利于結構主體鋼筋腐蝕防護，又有利于防止鋼軌對地電壓異常而使車站內乘客上下車時產生電擊傷害，而車輛段和停車場列檢庫內鋼軌設置接地設施，可避免車輛段、停車場內鋼軌因對地電位較高產生放電而對維護人員產生心理影響［8］。

2.1 測試方案

地鐵車輛段和停車場等特殊地段的軌道上需要設置絕緣節(jié)，其目的是為了盡量減少雜散電流并縮小雜散電流的影響范圍。而在采用絕緣節(jié)的鋼軌部位，必須設置單導，以保證有列車運行時回流電流能夠正常流動。

測試停車場列檢庫內股道L1、L2、L3、L4采用與地網相連接的綜合接地方式。本次測試在停車場內無列車起動的前提下進行，接地點電流和單導進線電流由外置霍爾電流傳感器測得。傳感器將電流轉換為±10 V的電壓信號，通過屏蔽電纜傳輸至軌道電能監(jiān)測設備。監(jiān)測設備完成數據采集工作，測試軟件對數據進行處理、記錄、顯示和存儲。具體的監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。

對接地點電流測試時，傳感器安裝于列檢庫內鋼軌與地網相連的電纜上；對單導進線電流測試時，傳感器安裝于鋼軌與單導相連的進線電纜上。信號監(jiān)測裝置如圖4所示。

圖3 停車場雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

圖4 停車場雜散電流信號監(jiān)測裝置

測試信號布置如圖5所示，其中A、B、C、D為大地流向鋼軌的電流監(jiān)測點；E為單導的進線電流監(jiān)測點。I1、I2、I3、I4分別代表L1、L2、L3、L4股道的電流；I5為單導進線電流。

圖5 停車場雜散電流信號測試點

根據基爾霍夫電流定律（KCL）可以求得通過車體的回流I6為：

2.2 測試結果分析

停車場內股道L1、L2、L3、L4從接地點流向鋼軌的電流曲線如圖6所示。在測試過程中，檢測到的股道L1、L2、L3、L4電流趨勢相同，絕大部分電流流向鋼軌，此部分電流為雜散電流；極少數電流由鋼軌流向大地，此部分電流為牽引回流。

圖6 測試點接地點（A、B、C、D）股道電流

單導進線電流曲線如圖7所示。絕大部分電流是由接地點流向股道L1、L2、L3、L4并匯合至單導進線處的雜散電流，繼而通過單導返回正線。

圖7 單導進線處（E）電流曲線

股道L1、L2、L3、L4電流和單導進線電流的統(tǒng)計數據見表1。

由表1可知，L3股道雜散電流最大，高達286.2 A，這就是列車防脫鋼繩在L3股道經常熔斷的原因。停車場內總的雜散電流比較嚴重，由地流向鋼軌的雜散電流高達610.2 A，原因是正線靠停車場鄰近車站的鋼軌電位過高，鋼軌電位限制器長期投入所至。

表1 停車場內雜散電流數據A

3 車輛段雜散電流測試

測試地鐵線路一端為停車場、另一端為車輛段。為了掌握車輛段內雜散電流的分布情況，需進行車輛段內的雜散電流測試。

3.1 測試方案

在車輛段內，雜散電流的測試方案和傳感器的安裝點與停車場的情況幾乎相同，不同之處在于車輛段內的接地情況比停車場復雜（如圖8所示）。L1和L3股道采用直接與大地相連的獨立接地方式，L2股道采用與地網相連的綜合接地方式。圖8中A、E和F為接地點的電流監(jiān)測點；B、C和D為接地點處股道間的電流監(jiān)測點；G、H、I和J為單導處股道間的電流監(jiān)測點；K為單導進線的電流監(jiān)測點。

圖8 車輛段雜散電流信號測試點

3.2 測試結果分析

車輛段內接地點的雜散電流曲線如圖9所示。檢測到的接地點1和接地點3電流較小，接地點2電流較大。其中接地點2和接地點3電流是由大地流向鋼軌的雜散電流。

車輛段內接地點處，股道間的電流結果如圖10所示。鋼軌間的電流方向絕大部分為L4-L3-L2-L1。

單導進線電流曲線如圖11所示。單導進線電流是由接地點1、接地點2和接地點3電流流向L1、L2、L3、L4、L5股道匯合至單導進線處的雜散電流，通過單相導通裝置返回正線。

車輛段內接地點的電流和單導進線電流統(tǒng)計數據見表2，鋼軌間電流統(tǒng)計數據見表3。

圖10 股道間（B、C、D）電流

表2 車輛段接地點和單導進線電流A

表3 車輛段股道間電流A

與停車場內雜散電流相比，車輛段內雜散電流較小。接地點1和接地點3電流相比接地點2電流較小，原因可能是接地點1和接地點3采用獨立接地方式，而接地點2采用綜合接地方式。為了得到驗證，工作人員將停車場內的綜合接地方式改為獨立接地方式，經過測試，電流有很明顯減少。

圖11 單導進線處（K點）電流

4 雜散電流路徑分析

當正線鋼軌存在泄漏點或鋼軌電位限制器投入時，雜散電流收集網、架空地線、大地、電纜鎧裝層和電纜支架等都有可能是雜散電流通往停車場和車輛段的路徑（如圖12所示）。雜散電流具體的流通路徑為：正線泄漏點（鋼軌電位限制器投入）—（牽引所、降壓所）地網—雜散電流收集網、電纜鎧裝層和電纜支架、大地—（牽引所、降壓所）地網—雜散電流收集網、架空地線、大地、電纜鎧裝層和電纜支架—（停車場、車輛段）接地極、臨時掛接的地線—庫內鋼軌—單導—正線牽引所負母線。

停車場和車輛段內的接地極為正線鋼軌泄漏的電流提供了良好的流通路徑。當正線鋼軌泄漏電流嚴重時，雜散電流通過停車場和車輛段庫內設備外殼或者列車車體，可造成設備打火甚至損壞；當工作人員在庫內作業(yè)時，臨時掛接的地線也為正線泄漏的電流提供了通路，出現掛地線打火現象。

5 結論與展望

（1）根據對停車場和車輛段內雜散電流的實測分析，證實停車場和車輛段內的雜散電流比較嚴重，其中停車場內的雜散電流總量高達610.2 A，車輛段內的雜散電流總量高達302.4 A。由此可見，雜散電流不僅僅是金屬管道腐蝕這樣“慢性”的危害，雜散電流由正線泄漏經過數公里從停車場、車輛段返回正線，造成停車場和車輛段內設備損壞、掛地線打火等問題。

圖12 雜散電流流通路徑示意圖

（2）停車場和車輛段內的雜散電流測試結果分析表明，采用獨立接地方式收集到的雜散電流比采用綜合接地方式收集到的雜散電流較小。從治理雜散電流的角度，建議停車場、車輛段內鋼軌應該采用獨立接地方式，以“堵塞”雜散電流通路。但如果掛接地線依然存在打火等現象，此時架空地線經三工位隔離開關的地刀與列檢庫內的接觸網連接，雜散電流通過接地線和鋼軌形成回路，有可能造成掛地線打火問題。

（3）鋼軌電位限制器的投入會增大雜散電流。鋼軌電位限制器的投入本著為減小鋼軌電位考慮，但另一方面也導致了雜散電流的增大，因此，鋼軌電位限制器的投入應將抑制鋼軌電位和減少雜散電流綜合考慮。

（4）雜散電流一直是目前研究的難點，本文僅對停車場和車輛段內的雜散電流嚴重程度進行了評估以及對雜散電流流通路徑進行了分析。以下幾個方面需要進一步研究：應加強鋼軌對地過渡電阻的測試理論和方法的研究；加強雜散電流在正線和車輛段、停車場內的治理措施研究。

［1］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.軌道交通地面裝置第2部分：直流牽引系統(tǒng)雜散電流防護措施：GB/T 28026.2-2011［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［2］北京市地下鐵道科學技術研究所.地鐵雜散電流腐蝕防護技術規(guī)程：CTJ 49-925［S］.北京：中華人民共和國建設部，1993.

［3］王凱，陳夢成，謝力，等.雜散電流環(huán)境下鋼筋混泥土梁彎曲疲勞損傷演變規(guī)律研究［J］.鐵道學報，2012，24（11）：88-93.

［4］李鋒，路春蓮.地鐵車輛檢修庫接觸網隔離開關的選型［J］.城市軌道交通研究，2015，18（3）：125-127.

［5］王禹橋.地鐵雜散電流分布規(guī)律及腐蝕智能監(jiān)測方法研［D］.徐州：中國礦業(yè)大學，2012.

［6］劉燕，王京梅，趙麗，等.地鐵雜散電流分布的數學模型［J］.工程數學學報，2009，26（4）：572-576.

［7］韓旭紅.城市地鐵雜散電流及抑制措施深入研究［D］.成都：西南交通大學，2014-05-01.

［8］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.地鐵設計規(guī)范：GB 50157-2013［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

Actual Test and Analysis of Stray Current in Metro Parking Lot and Depot

LIAO Jun，LIU Wei，XU Lingli，WANG Peipei，ZHENG Jie，WU Wei

Due to the track stray current，problems like metro depot and parking lot equipment burning loss and sparking for aerial earth wire have become increasingly serious.Based on the measured data of a practical subway parking lot and depot，the severity of stray current is assessed，the flow path of stray current is analyzed，corresponding improvement measures are proposed regarding the stray current situation on that subway line.

metro；parking lot；depot；stray current

U223.6+2

10.16037/j.1007-869x.2017.08.014

2015-10-22）